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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken aus zinkhaltigen Kupferlegierungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein erfindungsgemäß hergestelltes Fügeteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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In der Schweißtechnik gilt Messing als schwierig bis gar nicht laserschweißbar. Dies liegt darin begründet, dass Messing beim Laser-Tiefschweißen zu starken Spritzern und Auswürfen neigt, da sehr hohe Temperaturen in der Dampfkapillare entstehen. Diese führen zu zerklüfteten Nahtraupen und zu in Raupennähe porigen Nähten. Die Poren kommen hierbei durch abdampfendes Zink zustande, welches mit einer Temperatur von 907°C eine vergleichsweise geringe Verdampfungstemperatur aufweist. Dieser Effekt gewinnt mit steigendem Zinkgehalt in der Legierung an Intensität. Typisch für das Laser-Tiefschweißen sind weiße Beläge aus Zink(II)-oxid auf der Probenoberfläche neben der sich ausbildenden Nahtraupe. Diese entstehen, wenn aus der Kapillare austretender Zinkdampf durch den Luftsauerstoff oxidiert wird. Aufgrund des unschönen Erscheinungsbildes der Schweißnähte werden Schmelzschweißverfahren generell als ungeeignet angesehen, um Messinge zu fügen. Aus diesem Grund werden Fügeverbindungen bei Messing mittels gängiger Lötverfahren bevorzugt, da hierbei kein Aufschmelzen des Grundmaterials erfolgt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 057 997 A1 ist ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Metallbauteilen aus Aluminiumlegierungen bekannt. Ein erster Verfahrensschritt betrifft das Aufschmelzen der zu fügenden Metallbauteile in einem Verschweißbereich durch einen Energieeintrag mittels eines Laserstrahls, unter Ausbildung einer Schweißnaht. Anschließend wird die Oberfläche der Schweißnaht durch einen weiteren Energieeintrag unter teilweisem Aufschmelzen der Schweißnaht im Bereich der Oberfläche geglättet. Der weitere Energieeintrag mittels eines defokussierten Laserstrahls wird unmittelbar nach dem ersten Schritt in einem Zeitabstand von weniger als 100 ms durchgeführt. Auf diese Weise können bevorzugt zwei sich überlappende Bleche senkrecht zur Blechebene miteinander verbunden werden. Hierbei sollen die Schweißnähte an gefügten Stahl- und Aluminiumlegierungsblechen geglättet werden, um das optische Erscheinungsbild zu verbessern und eine scharfkantige Topographie zu verhindern.
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Aus der Druckschrift
EP 1 830 980 B1 ist ein Verfahren zum Schweißen von Messing bekannt, mit dem Ventilkomponenten hergestellt werden. Die Einzelteile werden dabei entlang der Fügekanten so angeordnet, dass ein Spalt zwischen den Kanten entsteht, so dass zumindest ein Teil eines Laserstrahls in den Spalt hineingerichtet werden kann. Beim Fügen von Messing wird dieser Fügespalt als besonders wichtig erachtet, da diese Legierung Zink als Metall enthält, dessen Siedepunkt niedriger ist als der Schmelzpunkt der Legierung. Der Abstand zwischen den Fügekanten ist so bemessen, dass durch das Laserschweißverfahren entstehende Dämpfe an Metall zwischen den beiden Teilen entweichen kann. Beim Fügen der Ventilteile können auch zwei Laserstrahlen in den Spalt geführt werden. Bei dieser Vorgehensweise weist ein Strahl dabei einen größeren Fokus als die Spaltbreite auf, und wird unmittelbar dem vorauslaufenden ersten Strahl nachgeführt. Diese Vorgehensweise zielt auf eine besonders hohe Schweißgeschwindigkeit ab.
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Zudem ist aus der Druckschrift
US 2004/0200813 A1 ein Fügen sich überlappender mit Zink beschichteter Bleche bekannt. Ein Verbinden findet hierbei durch den Energieeintrag eines fokussierten Laserstrahls im Fügebereich unter Ausbildung eines ersten Schmelzbades statt. Gleichzeitig wird mittels eines defokussierten Laserstrahls ein zweites Schmelzbad ausgebildet, wodurch die Fläche des ersten Schmelzbades vergrößert wird. Auf diese Weise wird die Fläche zum Ausgasen von während der Bearbeitung entstehenden Zinkdämpfen vergrößert.
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Des Weiteren ist aus der Druckschrift
DE 10 2011 118 278 A1 ein Verfahren zum Fügen von drei sich überlappenden zinkbeschichteten Blechen bekannt. Mittels eines Laserstrahls werden zunächst in einem ersten Verfahrensschritt ein erstes Außenblech mit einem innen liegenden Blech verbunden, indem mit einem auf das erste Außenblech gerichteten Laserstrahl eine Schweißnaht erzeugt wird. Anschließend werden in einem zweiten Verfahrensschritt ein zweites Außenblech durch einen auf die Schweißnaht gerichteten Laserstrahl mit dem innen liegenden Blech verschweißt.
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Bisher nicht gelöst ist das Problem, die bei zinkhaltigen Kupferlegierungen durch Blasenbildung entstehenden Poren in der Schweißnaht gezielt zu entfernen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei zinkhaltigen Legierungen zufriedenstellende Schweißverbindungen mittels eines Laserstrahls herzustellen.
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Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 10 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken aus zinkhaltigen Kupferlegierungen ein, gekennzeichnet durch:
- – Aufschmelzen der zu fügenden Werkstücke in einem Fügebereich durch Energieeintrag mittels eines fokussierten Laserstrahls unter Ausbildung einer Tiefschweißnaht, wobei im oberen Drittel der Tiefschweißnaht zumindest 50 Vol.-% des entstehenden Porenvolumens angeordnet wird,
- – Abkühlen der entlang der Tiefschweißnaht erzeugten Schmelze bis zur Erstarrung und,
- – erneutes Aufschmelzen entlang der Tiefschweißnaht mittels eines defokussierten Laserstrahls unter Ausbildung einer oberflächennahen zweiten Schweißnaht.
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Beim Laserstrahlschweißen unterscheidet man prinzipiell zwischen zwei Arbeitstechniken, dem Lasertiefschweißen und dem Wärmeleitungsschweißen. Beim Tiefschweißen verdampft durch die hohe Energiedichte des Lasers von mehr als 106 W/cm2 aufgeschmolzenes Material, wodurch sich eine Dampfkapillare ausbildet. Dieser Dampf wird aufgrund der hohen Temperaturen in der Dampfkapillare ionisiert, strömt nach oben ab und verdrängt die ihn umgebende Schmelze. Bewegt sich der Laserstrahl relativ zum Werkstück, so bewegt sich die Dampfkapillare mit ihm und die Schmelze kann um die Dampfkapillare seitlich und entgegen der Bewegungsrichtung des Laserstrahls abfließen und hinter der Dampfkapillare erstarren. Auf diese Weise entstehen sehr tiefe, schlanke Nähte. Eine Einschränkung dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass es aufgrund der durch die Dampfkapillare verdrängten Schmelze zu starken Turbulenzen im Schmelzbad kommt und infolgedessen Spritzer und Auswürfe die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen.
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Beim Wärmeleitungsschweißen wird nur der oberflächennahe Bereich des Werkstücks aufgeschmolzen. Trifft der Laserstrahl, dessen Energiedichte hierbei typischerweise kleiner als 106 W/cm2 ist, auf das Werkstück, so geschieht eine Erwärmung bis über den Schmelzpunkt hinaus lediglich über den Mechanismus der Wärmeleitung. Dieses Schweißverfahren wird meist für dünne Bleche und Folien eingesetzt, da die erforderliche Einschweißtiefe gering ist. Allerdings erhält man beim Wärmeleitungsschweißen eine besonders gleichmäßige Naht, da das Schmelzbad aufgrund der relativ geringen eingebrachten Energie nur wenige Turbulenzen aufweist.
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Die Erfindung geht in diesem Zusammenhang von der Überlegung aus, die Werkstücke aus zinkhaltigen Kupferlegierungen mit einer ersten Tiefschweißnaht entlang der gesamten Fügefläche zu verbinden. Dabei entstehen zunächst auch eine Vielzahl von Poren in der Schweißnaht. Anschließend wird mittels eines defokussierten Lasers eine erneute oberflächennahe zweite Schweißnaht erzeugt. Ursprünglich durch die Tiefschweißung erzeugte Poren werden so ausgetrieben. Die erzeugte Tiefschweißnaht kann sowohl als Einschweißung wie auch als Durchschweißung ausgeführt sein.
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Es wurde festgestellt, dass die Menge an Zink in einer Kupferlegierung für die Anzahl und Größe der Poren entscheidend ist. Diese liegen allerdings in der Schweißnaht nicht gleichverteilt vor. Die Prozessführung beim Schweißvorgang konnte erfindungsgemäß so gestaltet werden, dass sich der Großteil der durch die Ausdampfungen entstandenen Poren bei einem fokussierten Laserstrahl nicht in der Tiefe der Schweißnaht befindet, sondern diese im oberflächennahen Bereich angereichert werden. Die Tiefschweißnaht wird dabei in der Weise erzeugt, dass ein Großteil der Poren in das obere Drittel der ersten Schweißnaht wandern. Zur Ausbildung der Poren steigen Gasblasen im Schmelzebad entgegen der Schwerkraftwirkung nach oben.
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Diese Poren können jedoch mit der speziellen Vorgehensweise beim zweiten Schweißen im oberflächennahen Bereich mit der sogenannten defokussierten Überfahrt erreicht werden. Bei dieser Schweißtechnik wird insbesondere der Fokus des Laserstrahls nach der eigentlichen Tiefschweißung um mehrere Millimeter angehoben und der Laserstrahl in gleicher oder auch in entgegengesetzter Richtung wiederholt über die Naht geführt. Der defokussierte Laserstrahl schmilzt den oberen Bereich der Tiefschweißnaht erneut auf und füllt somit die vorhandenen Poren mit Schmelze auf, indem der Gasanteil austrieben wird. So führt das erfindungsgemäße Verfahren stets zu einem wesentlich besseren Erscheinungsbild der Naht, weniger Poren im oberflächennahen Bereich und einer signifikanten Reduktion der erstarrten Schweißspritzer und Auswürfe. Damit können Poren in Laserschweißnähten bei zinkhaltigen Kupferlegierungen durch eine gezielt eingesetzte defokussierte Überfahrt entfernt werden. Werden Bleche im Stumpfstoß gefügt, so ergeben sich oft Kerben in der Fügezone, durch welche die beaufschlagbare Maximalspannung der Naht im Zugversuch stark reduziert wird. Durch eine defokussierte Überfahrt können auch diese Kerben geschlossen und der Kerbeffekt reduziert werden.
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Der besondere Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Schweißtechnologie bei sämtlichen Anwendungen eingesetzt werden kann, wo zinkhaltige Kupferlegierungen, insbesondere Messingwerkstoffe, mittels Laserstrahlung miteinander bevorzugt flächig oder zeilenartig verschweißt werden sollen. Gezielt Poren aus Schweißnähten zu entfernen dient dazu, insbesondere die Festigkeit der Fügeverbindung zu steigern und das optische Erscheinungsbild zu verbessern. Auf diese Weise kann Messing prozesssicher geschweißt werden.
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Es wird hierbei auch kein Zusatzwerkstoff benötigt.
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Bevorzugt können im oberen Drittel der Tiefschweißnaht zumindest 90 Vol.-% des entstehenden Porenvolumens angereichert werden. Die Schmelzphase wird folglich beim ersten Verfahrensschritt des Tiefschweißens ausreichend lange aufrecht erhalten, bis sich ein Großteil der Ausdampfungen in Form von Poren nahe der Oberfläche ansammelt. Hierdurch werden besonders hochwertige Schweißverbindungen hergestellt, da sich die gesamte Schweißnaht zum Prozessende hin als eine quasi porenfreie Fügeverbindung ausbildet.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann als zinkhaltige Kupferlegierung Messing oder Tombak verwendet werden. Gerade auch die hoch zinkhaltigen Legierungen lassen sich mit dem Verfahren in guter Fügequalität verbinden. Derartige Werkstoffe wurden bisher in erster Linie nur gelötet.
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Zunächst kann das erfindungsgemäße Verfahren für Stumpfstöße, Überlappstöße und anderweitige Fügeanordnungen in Betracht gezogen werden. Insbesondere im Falle von Stumpfstößen kann der Laserstrahl vorteilhafterweise parallel zur Fügespaltebene geführt werden. Im Querschliff bestätigt sich der Eindruck, dass die defokussierte Überfahrt die Qualität der Nahtraupe verbessert und oberflächennahe Poren geschlossen sind. Die Wärmeeinflusszone ist in der Nähe der defokussierten Naht nicht so deutlich ausgeprägt, wie in der eigentlichen Tiefschweißnaht, da letztere unter Einwirkung einer deutlich höheren Energiedichte erzeugt wird.
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Bevorzugt ist auch, dass an der jeweiligen Auftreffstelle der Strahldurchmesser des defokussierten Laserstrahls zumindest 2-fach so groß ist, wie der Strahldurchmesser des fokussierten Laserstrahls. Besonders bevorzugt liegt der Wert des defokussierten Laserstrahls beim 2 bis 7-fachen. Die optimale Defokussierung hängt auch von den weiteren Prozessparametern, wie Leistung und Vorschubgeschwindigkeit, ab. Diese Parameter müssen oft bei jedem Schweißvorgang erneut empirisch ermittelt und festgelegt werden. Auf diese Weise wird die Leistungsdichte von typischerweise über 106 W/cm2 beim Tiefschweißen in einen Bereich zum Wärmeleitungsschweißen auf unter 106 W/cm2 reduziert. So wird nur noch der oberflächennahe Bereich des Werkstücks aufgeschmolzen. Zudem kann auch zusätzlich zu einer Strahlaufweitung die Laserleistung heruntergeregelt und damit angepasst werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Tiefschweißnaht und die oberflächennahe zweite Schweißnaht unter Luftatmosphäre erzeugt werden. Obwohl der Werkstoff hierbei dem Luftsauerstoff ausgesetzt ist, werden dennoch sehr gute Fügeergebnisse erzielt. In erster Linie beim Tiefschweißen von Messingen entsteht ein Zink(II)-Oxidbelag auf der Werkstückoberfläche neben der Nahtraupe. Der Belag entsteht, wenn aus der Kapillare austretender Zinkdampf durch den Luftsauerstoff oxidiert wird. Dennoch sorgt die zweite Überfahrt des defokussierten Laserstrahls für eine feste Fügeverbindung.
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In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann beim Erzeugen der oberflächennahen zweiten Schweißnaht zumindest 50 Vol.-% des in dieser Aufschmelzzone befindlichen Porenvolumens entfernt werden. Bereits dieser Anteil reicht aus, um die Fügeverbindung signifikant zu verbessern.
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In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann beim Erzeugen der oberflächennahen zweiten Schweißnaht zumindest 70 Vol.-% des in dieser Aufschmelzzone befindlichen Porenvolumens entfernt werden.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform kann die maximale Tiefe der zweiten oberflächennahen Schweißnaht bis zu 1/3 der Tiefe der Tiefschweißnaht erzeugt werden. In diesem Bereich sind der Hauptanteil der Poren angeordnet, so dass durch eine Überarbeitung der ersten Schweißnaht an diesen Oberflächenbereichen besonders effiziente Qualitätssteigerungen der gesamten Schweißnaht erzielt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt ein Fügeteil aus zinkhaltigen Kupferlegierungen ein, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Zugfestigkeit des Fügebereichs größer ist, als die Zugfestigkeit eines Fügebereichs, welcher ohne zweite Schweißnaht erzeugt ist.
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Vorteilhafterweise beträgt die Zugfestigkeit des Fügebereichs zumindest 30% der Zugfestigkeit des Grundmaterials. Die Zugfestigkeit im Fügebereich wird dabei von der Restporosiät und der Gefügeveränderung durch den lokalen Wärmeeintrag entlang der Schweißnaht maßgeblich bestimmt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch einen Querschnitt eines Fügeteils mit zwei Schweißnähten,
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2 schematisch einen Längsschnitt eines Fügeteils entlang einer Tiefschweißnaht nach dem ersten Fügeschritt mit Poren im oberen Drittel, und
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3 schematisch einen Längsschnitt einer fertigen Schweißnaht nach einem Tiefschweißen und einer defokussierten Überfahrt.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Fügeteils 1 mit zwei Schweißnähten 4 und 5. Das Fügeteil 1 besteht aus ersten und zweiten Werkstücken 2 und 3 deren Stirnseiten mittels Stumpfstoß gefügt sind. Zunächst wurde beim Fügeteil 1 mittels eines fokussierten Laserstrahls eine Tiefschweißnaht 4 ausgebildet und die dabei erzeugte Schmelze bis zur Erstarrung abgekühlt. Durch ein erneutes Aufschmelzen entlang der Schweißlinie der Tiefschweißnaht 4 mittels eines defokussierten Laserstrahls wurde danach eine oberflächennahe zweite Schweißnaht 5 ausgebildet. Die Tiefschweißnaht 4 erstreckt sich in diesem Falle nicht ganz bis zur Unterseite der Werkstücke 2 und 3, so dass keine überschüssige Schmelze aus dem Fügebereich nach unten austritt. Hierdurch entsteht üblicherweise eine etwas zurückversetzte Konturlinie entlang der Schweißnaht 4 auf der Unterseite des Fügebereichs. Die oberflächennahe zweite Schweißnaht 5 hat in Folge der Laserstrahlaufweitung auch eine größere laterale Breite als die Tiefschweißnaht 4. Die wannenartige Kontur in die Tiefe der oberflächennahen zweiten Schweißnaht 5 ergibt sich durch die Charakteristik des Wärmeeintrags des defokussierten Laserstrahls im Werkstück. Alternativ könnte auch ein Austritt eines gewissen Schmelzeanteils nach unten zur Bildung einer Nahtwurzel in Betracht kommen.
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Im Zuge der Untersuchungen wurde das Schweißverfahren der defokussierten Überfahrt erfolgreich an CuZn30, CuZn21Si3P und CuZnSi1Mn2Al1 Nil Fe0.5 mit unterschiedlichen Zinkgehalten erprobt. Es konnten dabei Tiefschweißnähte hergestellt werden, welche mit einem defokussierten Laserstrahl nachbearbeitet wurden. Das Resultat waren ausgesprochen porenarme Schweißnähte.
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Die optimale Defokussierungshöhe mit den besten Schweißergebnissen bei der oberflächennahen zweiten Schweißnaht muss empirisch für jeden Werkstoff und in Abhängigkeit der Laserleistung, der Strahlkaustik und der Schweißgeschwindigkeit bestimmt werden. In den vorgenommenen Experimenten wurde die Schweißung mit 3 kW Laserleistung, 150 mm/s Schweißgeschwindigkeit und einer Defokussierung von +3 mm im Strahldurchmesser durchgeführt. Die defokussierte Überfahrt wurde entgegen der Schweißrichtung mit denselben Parametern, von der variierten Defokussierungshöhe abgesehen, durchgeführt. Tab. 1: Höhe der defokussierten Überfahrten bei denen optimale Nahtraupen erzielt wurden
| Überfahrtshöhen (mm) |
| CuZn30 | CuZn21Si3P | CuZnSi1Mn2Al1Ni1Fe0.5 |
| 28 | 23 | 35,5 |
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Das Resultat waren bei allen Proben qualitativ hochwertige Schweißnähte. Die bei Messingschweißungen sonst übliche zerklüftete Nahtraupe wurde durch die defokussierte Überfahrt wesentlich verbessert und die oberflächennahen Poren verschlossen. Durch die anschließende Qualitätsverbesserung mittels einer defokussierten Überfahrt ließen sich sämtliche oberflächennahe Schweißnahtfehler, beispielsweise Kerben, beseitigen. Durch diese Maßnahme konnte die Nahtfestigkeit mehr als verdoppelt werden.
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2 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Fügeteils 1* entlang einer Tiefschweißnaht 4 nach dem ersten Fügeschritt mit Poren 6, insbesondere im oberen Drittel der Tiefschweißnaht 41. Nach Ausbildung der Tiefschweißnaht 4 ist der größte Anteil des entstehenden Porenvolumens dort angeordnet. Unterhalb der gestrichelten Begrenzungslinie des oberen Drittels der Tiefschweißnaht 41 sind im Bereich des unteren Teils der Tiefschweißnaht 42 nur noch wenige Poren vorhanden, da diese in der Schmelze in Form von Gasblasen nach oben transportiert wurden. Damit ist die erste Tiefschweißnaht 4 zur weiteren Ausbildung einer oberflächennahen zweiten Schweißnaht 5 entsprechend gut vorbereitet. Mit Hilfe eines defokussierten Laserstrahls ist es dann möglich, auch aus dem oberen Drittel der Tiefschweißnaht 41 die Poren durch erneutes Aufschmelzen nahezu vollständig zu entfernen.
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3 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer fertigen Schweißnaht nach einem Tiefschweißen und einer defokussierten Überfahrt des Lasers. In dieser Darstellung sind nun durch die Überarbeitung der ursprünglichen Tiefschweißnaht 4 die Poren 6 aus der oberflächennahen zweiten Schweißnaht 5 weitgehend entfernt. In den 2 und 3 ist auch dargestellt, dass die Untergrenze der Tiefschweißnaht 4 leicht von der Unterkante des ersten Werkstücks 2 zurückspringt. Auf diese Weise soll in diesem Fall sichergestellt werden, dass die Schmelze der Tiefschweißnaht 4 nicht über die Unterkante der Werkstücke hinausragt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fügeteil
- 1*
- Fügeteil mit Tiefschweißnaht
- 2
- erstes Werkstück
- 3
- zweites Werkstück
- 4
- Tiefschweißnaht
- 41
- oberes Drittel der Tiefschweißnaht
- 42
- unterer Teil der Tiefschweißnaht
- 5
- oberflächennahe zweite Schweißnaht
- 6
- Poren